蛋白質(zhì)籠可以通過從頭設(shè)計、對現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造或從自然界中分離來制備。非原生系統(tǒng)的設(shè)計示例包括金屬協(xié)調(diào)籠以及單組件和雙組件二十面體架構(gòu)。此類系統(tǒng)已被證明在免疫原展示和有效疫苗設(shè)計等方面有效。此外，天然病毒衣殼具有獨(dú)特的組裝特性，使其成為納米生物工程中流行的構(gòu)建模塊。多種病毒類型在體外重組時觀察到多態(tài)性行為；然而，以用戶定義的方式指導(dǎo)多態(tài)性仍然具有挑戰(zhàn)性。球形豇豆褪綠斑駁病毒（CCMV，直徑d=?28?nm）是研究最多的病毒之一。其 180 個衣殼蛋白 (CP) 拷貝排列成20個六聚體和12個五聚體，形成準(zhǔn)二十面體T=3對稱性。其可逆組裝過程具有良好的特征，并且高度依賴于 pH 值和離子強(qiáng)度等環(huán)境條件。由于CP的固有蛋白質(zhì)組裝途徑，重新組裝會導(dǎo)致六角形片、空球和管的形成。盡管通過有機(jī)和無機(jī)材料的封裝已經(jīng)證明了對球形組件的控制，但偏離天然二十面體或管狀對稱性的其他組件的形成不能以模塊化方式實(shí)現(xiàn)。鑒于此，芬蘭阿爾托大學(xué)Mauri A. Kostiainen和赫爾辛基大學(xué)Juha T. Huiskonen研究人員利用DNA折紙模板來精確控制病毒衣殼組件的大小和形狀。
為此，研究人員通過與短單鏈短鏈的可編程雜交，將長單鏈DNA支架鏈組裝成明確的二維和三維結(jié)構(gòu)。首先，研究人員研究了使用六螺旋束（6HB）DNA折紙引導(dǎo)CCMV CP的組裝。6HB適用于前面描述的中空管內(nèi)（還考慮到CP層的厚度），此外，它與在天然存在的病毒系統(tǒng)中觀察到的DNA包裝非常相似。研究人員使用了五種不同的DNA折紙結(jié)構(gòu)來研究控制 CCMV CP 組裝的特性和可能的幾何限制。6HB和24HB是直徑分別為6nm和14nm的圓柱形結(jié)構(gòu)，而13螺旋環(huán)（13HR）是環(huán)形結(jié)構(gòu)，60HB是磚狀物體和納米膠囊是刺激響應(yīng)物體。絡(luò)合過程由蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用以及 DNA 折紙的帶負(fù)電荷的磷酸鹽主鏈與蛋白質(zhì)的 26 個富含精氨酸殘基的 N 末端區(qū)域中帶正電荷的氨基酸 (aa) 殘基之間的靜電相互作用驅(qū)動。研究發(fā)現(xiàn)，絡(luò)合過程不僅限于單個蛋白質(zhì)層（灰色），帶正電的 CP 殘基還與 CP 表面帶負(fù)電的斑塊相互作用，導(dǎo)致第二個蛋白質(zhì)層（綠色）成核。
圖|衣殼包被的DNA折紙結(jié)構(gòu)的形成
為了確認(rèn) DNA 的封裝并進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)表征，研究人員基于冷凍電子顯微鏡(cryo-EM) 進(jìn)行了單粒子重建。對沿著細(xì)絲拾取的顆粒進(jìn)行二維 (2D) 分類，并僅從記錄的圖像中獲得從頭開始 3D 模型的 3D 細(xì)化，從而產(chǎn)生第一蛋白質(zhì)層分辨率為 4.3?? 、第二蛋白質(zhì)層分辨率為 8?? 的螺旋結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)管由六聚體組裝而成，類似于體外組裝的HIV病毒形成的管。
圖|用冷凍電鏡單粒子重建復(fù)雜的6HB結(jié)構(gòu)
蛋白質(zhì)管腔內(nèi)的密度對應(yīng)于封裝的 DNA 折紙。其負(fù)電荷分布均勻。面向折紙的 N 末端為蛋白質(zhì)管的內(nèi)表面創(chuàng)建正靜電勢表面。相反，對于外管表面，負(fù)靜電勢占主導(dǎo)地位，因此允許形成蛋白質(zhì)多層復(fù)合物。研究人員無法檢測到蛋白質(zhì)層之間或 DNA 和蛋白質(zhì)之間的特定物理接觸點(diǎn)，這表明非特異性靜電和蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用是組裝的驅(qū)動力。此外，它還能夠通過改變鹽條件或設(shè)計CP–DNA相互作用來微調(diào)對組裝的控制。
此外，該方法不僅增強(qiáng)了 DNA 折紙對核酸酶消化的穩(wěn)定性，而且還使得 DNA 折紙能夠用作高度功能化的平臺。研究人員使用AuNP 證明了 DNA 折紙的高尋址能力，可以通過雜交或嵌入來精確附著各種貨物/靶向分子。
圖|衣殼涂層在不同厚度和形狀的結(jié)構(gòu)上的適用性
這種方法不僅可以封裝非線性、非管狀和RNA-DNA雜交結(jié)構(gòu)，即該模板的適用性既不限于DNA折紙，也不限于RNA支架折紙，還不限于CCMV CP，從而產(chǎn)生由其他病毒物種構(gòu)建的組裝體，如多瘤病毒。此外，它提供了一種保護(hù)DNA免受核酸酶降解的通用技術(shù)，因此對疫苗和核酸遞送載體的開發(fā)具有吸引力。綜上所述，本文開發(fā)了一種策略，以精確和可編程的方式在生理?xiàng)l件下指導(dǎo)病毒衣殼的組裝。通過使用通用的DNA折紙作為模板，可以實(shí)現(xiàn)對所形成組件的大小和形狀的精確控制。Seitz, I., Saarinen, S., Kumpula, EP. et al. DNA-origami-directed virus capsid polymorphism. Nat. Nanotechnol. (2023).https://doi.org/10.1038/s41565-023-01443-x
